本發(fā)明屬于靜電紡絲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種靜電紡絲收集裝置及梯度取向結(jié)構(gòu)納米纖維的制備方法。

背景技術(shù)：

靜電紡絲是目前制備納米纖維的一種簡易方法，具有原料來源廣泛、設(shè)備簡單等的優(yōu)點。靜電紡絲納米纖維具有很高的孔隙率和比表面積，模擬細(xì)胞外基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，廣泛用于組織工程、藥物緩釋等領(lǐng)域。

靜電紡絲是將聚合物的溶液通過注射泵緩慢從針頭處流出，同時帶上數(shù)千伏乃至上萬伏的高壓靜電，帶電液滴在電場力的作用下形成泰勒錐，當(dāng)電場力克服溶液表面張力時，液滴形成噴射細(xì)流，溶劑在細(xì)流到達(dá)收集裝置的過程中揮發(fā)，最后沉積在收集裝置上。

至今，大多數(shù)靜電紡絲的收集方式是使用平板或者滾筒收集，得到的大多數(shù)是無紡布形式的纖維氈，納米纖維的排列是無規(guī)律的。國內(nèi)外有學(xué)者使用高速的滾筒和平行的電極收集到了取向程度很高的纖維膜，不過纖維膜的厚度有限，基本屬于二維的薄膜，而且并不具備梯度結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

面對現(xiàn)有技術(shù)方面存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種靜電紡絲收集裝置及梯度取向結(jié)構(gòu)納米纖維的制備方法，改變目前靜電紡絲工藝中纖維結(jié)構(gòu)單一而且厚度有限的現(xiàn)狀。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。

一種靜電紡絲收集裝置，該靜電紡絲收集裝置包括電源、正反轉(zhuǎn)控制器、支架、電機(jī)、磁鐵、接收頭和導(dǎo)線；所述電源連接正反轉(zhuǎn)控制器并放置在橫放空心的支架中，支架兩端放置兩個豎放空心的支架，一對電機(jī)分別固定在豎放空心的支架上，通過導(dǎo)線和電源相連，磁鐵附在電機(jī)軸中心，另一端連接接收頭，接負(fù)電的導(dǎo)線套在電機(jī)軸上，導(dǎo)線另一端連接負(fù)電發(fā)生器；所述接收頭為金屬接收頭。

優(yōu)選的，所述正反轉(zhuǎn)控制器具有正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)和停止/啟動三項功能，以此來控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。

優(yōu)選的，所述支架材質(zhì)為絕緣材料；所述絕緣材料可為聚甲醛、聚四氟乙烯、聚碳酸酯和酚醛樹脂等。

優(yōu)選的，所述磁鐵為圓柱形磁鐵，直徑為5~15mm。

優(yōu)選的，所述接收頭可為圓錐形接收頭、圓臺形接收頭、長方體形接收頭和圓柱形接收頭。

使用以上所述的一種靜電紡絲收集裝置制備梯度取向結(jié)構(gòu)納米纖維的方法，包括以下步驟：

（1）搭建靜電紡絲收集裝置，并放置在針頭下方；

（2）將材料溶于溶劑中攪拌均勻；

（3）用注射器吸取紡絲液，將聚乙烯導(dǎo)管和注射器的針頭相連，進(jìn)行紡絲；所述紡絲的過程中正電壓為10~20kV，負(fù)電壓為-5~0kV，針頭到靜電紡絲收集裝置的距離為10~20cm，兩接收頭之間的距離在0.5cm~7cm之間調(diào)節(jié)；

（4）將收集到的納米纖維束放入真空干燥箱中進(jìn)行干燥，得梯度取向結(jié)構(gòu)納米纖維。

優(yōu)選的，步驟（2）所述材料可為明膠，膠原，殼聚糖，聚己內(nèi)酯、聚乳酸、棒狀羥基磷灰石、碳納米管和聚乳酸-羥基乙酸共聚物等可用于靜電紡絲的材料。

優(yōu)選的，步驟（2）所述溶劑為二氯甲烷、N,N-二甲基甲酰胺、三氟乙醇、六氟異丙醇等良溶劑。

優(yōu)選的，步驟（4）所述的納米纖維束的兩端為隨機(jī)取向納米纖維，中間段為平行取向納米纖維，從隨機(jī)取向至平行取向存在過渡區(qū)域。

紡絲過程中平行的纖維會在接收器之間沉積，而沉積在接收頭位置的纖維則為隨機(jī)取向，中間存在過渡的區(qū)域。本發(fā)明可獲得具有梯度取向結(jié)構(gòu)的納米纖維支架, 具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，模擬了肌腱和韌帶組織膠原纖維的排列方式，可用于肌腱和韌帶組織工程及組織修復(fù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

（1）所得的納米纖維支架具有梯度的結(jié)構(gòu)，兩端為隨機(jī)取向納米纖維，中間段為平行取向的納米纖維，存在從隨機(jī)取向到平行取向的過渡區(qū)域。

（2）所得的納米纖維支架具有較大的厚度，具有三維的結(jié)構(gòu)，而且隨著紡絲時間增加，厚度越厚。

（3）所得的納米纖維支架中段平行取向的長度可以通過控制兩個接收頭之間的距離來控制，可以在0.5cm~7cm間調(diào)節(jié)。

（4）所得的納米纖維的取向程度較高，在-20°~20°間變化。

（5）所得的納米纖維支架的力學(xué)性能優(yōu)異，極限抗張強(qiáng)度達(dá)到40MPa。

（6）本發(fā)明采用的零件簡單，容易拼裝，通過更換磁性接收頭可以制備不同宏觀形狀的納米纖維支架。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明靜電紡絲收集裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為支架中間段平行取向納米纖維的掃描電鏡（SEM）圖；

圖3為支架兩端隨機(jī)取向納米纖維的掃描電鏡（SEM）圖；

圖4為支架納米纖維取向過渡區(qū)域的掃描電鏡（SEM）圖；

圖5為聚己內(nèi)酯支架納米纖維直徑分布統(tǒng)計圖；

圖6為聚己內(nèi)酯支架納米纖維角度分布統(tǒng)計圖；

圖7為聚己內(nèi)酯纖維支架的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合實施例，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

以下實施例中所用的靜電紡絲收集裝置包括電源1、正反轉(zhuǎn)控制器2、支架、電機(jī)3、磁鐵4、接收頭5和導(dǎo)線，如圖1所示； 通過磁鐵連接電機(jī)的軸和接收頭，在通電時接收頭能夠以相同轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。靜電紡絲過程中，纖維不斷在兩接收頭間沉積，位于接收頭上的纖維隨機(jī)取向，接收頭之間的纖維平行取向。正反轉(zhuǎn)控制器能控制兩個電機(jī)反向轉(zhuǎn)動。

實施例1

稱量1.2g聚己內(nèi)酯，加入10mL二氯甲烷與N-N二甲基甲酰胺體積比為4:1的混合溶液，攪拌12小時。利用10mL注射器吸取上述制備好的紡絲液，通過聚乙烯導(dǎo)管和針頭相連。針頭為20G針頭，連接15kV的高壓正電，靜電紡絲接收裝置的圓錐形接收頭接5kV的負(fù)電壓。連接接收頭的磁鐵為直徑5mm的圓柱形磁鐵。將靜電紡絲收集裝置放置于針頭下方，距離18cm，兩接收頭之間的距離為0.5cm。紡絲液的流速為1.0mL/h，紡絲總時長為3h。將制備好的支架進(jìn)行真空干燥。圖2顯示了聚己內(nèi)酯納米纖維支架的平行取向部分。圖3顯示了該支架兩端的纖維隨機(jī)取向部分，圖4顯示了該支架的納米纖維具有從隨機(jī)取向向平行取向過渡的區(qū)域。圖5統(tǒng)計了100根納米纖維直徑，平均直徑為241nm，標(biāo)準(zhǔn)差為56nm。圖6統(tǒng)計了納米纖維的排列角度，纖維角度分布在-30°~20°之間，具有很高的取向程度。圖7為纖維支架的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，支架的極限抗張強(qiáng)度高達(dá)40MPa。

實施例2

稱量0.012g碳納米管，加入10mL三氟乙醇溶液分散均勻，加入1.2g聚己內(nèi)酯攪拌12小時。利用10mL注射器吸取上述制備好的紡絲液，通過聚乙烯導(dǎo)管和針頭相連。針頭為20G針頭，連接15kV的高壓正電。將靜電紡絲收集裝置放置于針頭下方，距離20cm，兩接收頭之間的距離為7cm。靜電紡絲接收裝置的圓錐形接收頭接0kV的負(fù)電壓。連接接收頭的磁鐵為直徑15mm的圓柱形磁鐵。紡絲液的流速為1.0mL/h，紡絲總時長為2h。將制備好的支架進(jìn)行真空干燥。所得納米纖維的直徑平均為242nm，標(biāo)準(zhǔn)差為49nm，極限抗張強(qiáng)度高達(dá)60MPa。

實施例3

稱量2g聚乳酸-羥基乙酸共聚物，溶解于六氟異丙醇中，攪拌24小時。利用10mL注射器吸取上述制備好的紡絲液，通過聚乙烯導(dǎo)管和針頭相連。針頭為18G針頭，連接10kV的高壓正電。將靜電紡絲收集裝置放置于針頭下方，距離10cm，兩接收頭之間的距離為3cm。靜電紡絲接收裝置的圓錐形接收頭接3kV的負(fù)電壓。連接接收頭的磁鐵為直徑10mm的圓柱形磁鐵。紡絲液的流速為1.0mL/h，紡絲總時長為1h。將制備好的支架進(jìn)行真空干燥。所得納米纖維形貌良好，平均直徑為352nm，標(biāo)準(zhǔn)差為72nm，角度分布在-25°~20°之間，取向程度較高，極限抗張強(qiáng)度高達(dá)23MPa。

實施例4

稱量0.003g棒狀羥基磷灰石，加入5mL二氯甲烷與N-N二甲基甲酰胺體積比為3:1的混合溶液分散均勻，加入0.6g聚己內(nèi)酯攪拌12小時。利用5mL注射器吸取上述制備好的紡絲液，通過聚乙烯導(dǎo)管和針頭相連。針頭為20G針頭，連接15kV的高壓正電。將靜電紡絲收集裝置放置于針頭下方，距離10cm，靜電紡絲接收裝置的接收頭為圓柱形并接4kV的負(fù)電壓，兩接收頭之間的距離為4cm。連接接收頭的磁鐵為直徑5mm的圓柱形磁鐵。紡絲液的流速為1.0mL/h，紡絲總時長為2h。將制備好的支架進(jìn)行真空干燥。所得納米纖維平均直徑為545nm，標(biāo)準(zhǔn)差為68nm，角度分布在-30°~25°之間，取向程度較高，極限抗張強(qiáng)度高達(dá)46MPa。

實施例5

稱量0.9g 明膠，加入10mL三氟乙醇溶液中攪拌均勻，稱量1.2g聚己內(nèi)酯于10mL三氟乙醇中攪拌12小時。利用10mL注射器分別吸取上述制備好的紡絲液，通過聚乙烯導(dǎo)管和針頭相連。針頭為內(nèi)徑0.8mm，外徑1.4mm的同軸針頭，核層溶液為聚己內(nèi)酯，明膠為殼層溶液，連接20kV的高壓正電。將靜電紡絲收集裝置放置于針頭下方，距離15cm，靜電紡絲接收裝置的接收頭為長方體形并接2kV的負(fù)電壓，兩接收頭之間的距離為4cm。連接接收頭的磁鐵為直徑10mm的圓柱形磁鐵。紡絲液的流速為1.0mL/h，紡絲總時長為2h。將制備好的支架進(jìn)行真空干燥。所得納米纖維平均直徑為326nm，標(biāo)準(zhǔn)差為47nm，角度分布在-20°~20°之間，取向程度高，極限抗張強(qiáng)度為30MPa。